2. MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE MOLDES PARTE 1.pdf

Procesos de Deseño de Moldes de Inxección 1
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Moldeo TEMA 3: MATERIALES PARA CONSTRUCCIÓN DE MOLDES
MATERIALES PARA CONTRUCCIÓN DE MOLDES
1. Introducción
2. Elección del Acero
3. Aceros para herramientas
4. Mecanismos de fallo en los aceros
5. Otros Materiales
6. Tratamientos Térmicos
7. Tratamientos Termoquímicos y Tratamientos Superficiales
1 .INTRODUCCIÓN
Para la elaboración de materiales plásticos (y análogamente, para la inyección de
materiales metálicos), por el proceso de inyección, son indispensables moldes de gran
calidad y, en gran parte, la parte técnica y económica de los transformados de plástico
dependen de la disponibilidad y utilización apropiada de los aceros con los que se
construyan los utillajes (moldes).
1.1. Definiciones:
El acero es el nombre común que recibe la aleación de hierro con un contenido igual o
inferior al 2,5% de carbono. Cuando este contenido aumenta, se denomina fundición.
Esta afirmación no es del todo válida para el caso de los aceros al cromo en que hay
casos excepcionales con porcentajes todavía superiores.
Los aceros han sido clasificados de muchas maneras posibles. Los esfuerzos a nivel
mundial para conseguir un sistema único de denominación y clasificación siempre
han llegado a una falta de acuerdo. Los intereses comerciales también han sido un
escollo en muchos casos para su éxito. En España su clasificación y denominación se
realiza según su composición química y según su aplicación.
A grandes rasgos:
Según la composición química:
- Aceros no aleados. más del 90% de todos los aceros son aceros al carbono.
Estos aceros contienen diversas cantidades de carbono y menos del 1,65% de
manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de cobre. Entre los productos fabricados
con aceros al carbono figuran máquinas, carrocerías de automóvil, la mayor parte de
las estructuras de construcción de acero, cascos de buques, somieres y horquillas.

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- Aceros aleados. estos aceros contienen un proporción determinada de vanadio,
molibdeno y otros elementos, además de cantidades mayores de manganeso, silicio y
cobre que los aceros al carbono normales. Estos aceros de aleación se pueden
subclasificar en :
Elementos Contenido %
Aluminio 0,10
Bismuto 0,10
Boro 0,0008
Circonio 0,10
Cobalto 0,10
Cobre 0,40
Cromo 0,30
Manganeso 1,60
Molibdeno 0,08
Niobio 0,05
Niquel 0,30
Plomo 0,40
Selenio 0,10
Silicio 0,50
Telurio 0,10
Titanio 0,05
Vanadio 0,10
Wolframio 0,10
Lantanidos 0,05
Otros (excepto
C,P,S,N y O)
0,05
Contenidos Límite para la Clasificación de los Aceros

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Según la aplicación:
- Aceros de base.
- Aceros de calidad, que a su vez podrán ser aleados o no.
- Aceros especiales, que a su vez podrán ser aleados o no
Podríamos hacer otra clasificación de los aceros en función del tipo de trabajo a
desempeñar.
Acero para herramientas de trabajo en frío: Son aquellos aceros utilizables
para la transformación de materiales, cuya temperatura de trabajo se sitúa por
debajo de los 200 ºC. Son aceros con elevada resistencia mecánica, al desgaste,
al revenido, dureza, tenacidad y estabilidad dimensional.
Acero para herramientas de trabajo en caliente: Son aquellos aceros
utilizables para la transformación de materiales, cuya temperatura de trabajo
se sitúa por encima de los 200 ºC. Son aceros con elevada resistencia al
desgaste en caliente y tenacidad en caliente, estabilidad dimensional y
moderada resistencia a la corrosión.
Acero para moldes de transformación de plástico: Son aquellos aceros
utilizables para la transformación de plástico, con elevada dureza, estabilidad
dimensional, resistencia a la corrosión y al desgaste, y buena aptitud al pulido.
1.2. Efecto de los elementos de aleación en el acero:
o Azufre (S):
Su presencia es debida a los procesos siderúrgicos de obtención del acero. Forma FeS
y se concentra en los límites de grano. Tiende a fragilizar al acero, porque elimina la
cohesión entre granos cuando se usa en caliente, por eso en aceros para trabajar en
caliente su contenido será inferior a 0,03%. Puede formar MnS antes que FeS y salir a
la escoria o bien quedarse uniformemente repartido. Facilita la falla en soldaduras.
Por contra es un elemento que facilita la maquinabilidad por que actúa como
lubricante reduciendo así el desgaste en la herramienta. Además provoca la viruta
pequeña.
o Manganeso (Mn):
Su presencia es debida a los procesos siderúrgicos de obtención del acero. Se
añade para formar MnS. Cuando no hay suficiente S puede formar Mn3C y
asociarse con el Fe3C. Se usa como desoxidante y reduce la tendencia a la
fragilidad en caliente aumentando así la templabilidad ligeramente. Aumenta la
dureza y la resistencia, pero menos que el C (este comportamiento se acentúa para
aceros de alto contenido en C). Aumenta el coficiente de expansión térmica y
reduce la conductividad eléctrica y térmica.
o Fósforo (P):
Su presencia es debida a los procesos siderúrgicos de obtención del acero. Se
disuelve en ferrita aumentando ligeramente la dureza y la resistencia, porque

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aumenta el tamaño del grano. En altos contenidos provoca una reducción de la
ductilidad y facilita la formación de fisuras. Además mejora la resistencia a la
corrosión y a la maquinabilidad.
o Sicilio (Si)
Su presencia es debida a los procesos siderúrgicos de obtención del acero. Se usa
como desoxidante mejorando la resistencia a la corrosión. Aumenta la
templabilidad y la resistencia en aceros no aleados. No forma carburos. Aumenta la
resistencia mecánica y al desgaste cuando se adiciona conjuntamente con el Mn.
En contenidos elevados perjudica el comportamiento en caliente y la
maquinabilidad.
o Cromo (Cr)
Aumenta la resistencia a la corrosión y a la oxidación (con razón es el aleante
principal en aceros inoxidables), la templabilidad, mejora el comportamiento a
altas temperaturas cuando su contenido supera el 5% y a la resistencia al desgaste
(sobretodo cuando es añadido con elevados contenidos en C). Forma carburos
Cr7C3 y Cr4C que tienen elevada dureza. Reduce sustancialmente la
conductividad térmica y eléctrica, así como la expansión térmica.
o Molibdeno (Mo)
Aumenta la templabilidad del acero, contrarrestando la tendencia a la fragilidad de
revenido. Aumenta la resistencia del material a altas temperaturas. El Mo se
difunde dentro de la ferrita y la austenita. Siempre suele ir aleado con otros
elementos, sobretodo con el Cr y el Ni. Es un gran afinador de tamaño de grano.
También mejora ligeramente la resistencia a la corrosión. Por el contrario el Mo
puede formar MoC que se concentra en los límites de grano y perjudica la
maquinabilidad.
o Níquel (Ni)
Disminuye las temperaturas críticas del acero, retarda la descomposición de la
austenita. No forma carburos. Aumenta la tenacidad y la resistencia al impacto en
aceros para construcción y para trabajo a baja temperatura. Reduce la tendencia a
oxidación y corrosión. Elevados contenidos eliminan la variación dimensional del
tratamiento térmico.
o Vanadio (V)
Se trata del mejor afinador de tamaño de grano de los aceros, aumenta la
templabilidad y produce un elevado endurecimiento secundario. Se usa como
desoxidante. Es un formador de carburos muy potente, provocando así una mejora
en la resistencia al desgaste y a alta temperatura. Por el contrario, es el aleante
más caro de todos los mencionados aquí.
o Tungsteno (W)
Es un formador de carburos de elevadísima dureza y difíciles de disolver,
permitiendo el aumento de la dureza del acero incluso a altas temperaturas. Se
comporta de manera similar al Mo pero requiere de más concentración. Aumenta la
tenacidad e impide el crecimiento de grano. Se suele añadir en aceros para trabajo
en caliente porque mantiene sus propiedades y comportamiento incluso a altas
temperaturas. Evita la decarburación.

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o Cobalto (Co)
Contribuye a mantener la dureza en caliente. No forma carburos con facilidad.
Inhibe el crecimiento de grano a altas temperaturas. Por el contrario, reduce la
templabilidad.
o Titanio (Ti)
Es el fomador de carburos más potente y por eso se usa para evitar que se formen
otros tipos de carburos. Igualmente es desoxidante y desnitrogenante. Es refinador
de grano. Su presencia debe controlarse ya que tiene una marcada tendencia a
segregarse y bandearse.
1.3. Clasificación de los aceros para moldes:
En base a la experiencia, y de lo que se deduce de la literatura técnica, resulta que
para la fabricación de moldes para inyección se utilizan hasta unos cuarenta tipos de
aceros, que en líneas generales pueden ser clasificados dentro de alguno de estos
grupos:
- Aceros de Cementación
- Aceros Nitrurados
- Aceros de Tratamiento Térmico
- Aceros resistentes a la corrosión
- Aceros de mínima variación dimensional
1.4. Propiedades:
Los aceros que se han de utilizar en la fabricación de moldes ha de poseer ciertas
características esenciales. Estas son:
- Pureza
- Solidez
- Estructura uniforme: Uniformidad e isotropía de la microestructura.
- Buena capacidad de mecanizado
- Facilidad de embutición en frío
- Seguridad en el tratamiento térmico: Alta estabilidad dimensional tras el temple
y revenido.
- Capacidad de templado
- Posibilidades de pulido
- Resistencia al desgaste
- Dureza de núcleo
- Resistencia a la corrosión
Cuando algunos de estos requerimientos no se logra por si solo se puede pensar en los
recubrimientos y/o tratamientos de superficie (conviene tener presente que no todos los
materiales aceptan el mismo tipo de tratamiento o recubrimiento).

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1.5. Esfuerzos y Mecanismos de Fallo:
En general, los materiales usados para herramientas deben soportar algún tipo de
carga o esfuerzo durante su aplicación. Además, se trata de cargas o esfuerzos
complejos que varían de un punto a otro de la herramienta. Es precisamente a través
de la superficie donde se comunican estos esfuerzos tanto al material de trabajo como
a otros componentes del utillaje.
Por ello el conocimiento y caracterización de las superficies de contacto es vital para
garantizar la durabilidad y seguridad de la herramienta. A todo ello, se debe añadir el
factor tiempo; en la mayoría de los utillajes tiene lugar un proceso de fatiga.
Durante la vida del utillaje los mecanismos de deterioro se manifestarán de forma
simultánea y serán en muchos casos difíciles de aislar. Los mecanismos de fallo más
relevantes son:
- Deformación plástica y posterior rotura debido a cargas que han superado el
límite elástico.
- Fatiga del material seguida de la fractura.
- Desgaste del material por fricción con el material de trabajo.
- Exposición a altas temperaturas, provocando cambio de dureza, de fases
estructurales y de composición química.
Ante ello, las dos propiedades más influyentes en la durabilidad de la herramienta van
a ser la tenacidad y la dureza. La tenacidad, entendida como la resistencia de un
material al impacto, será la responsable de evitar el fallo del material por fractura
prematura o frágil. En cambio, la dureza, entendida como la resistencia de un
material a ser penetrado, garantiza el comportamiento elástico evitando las
deformaciones plásticas.
En la tabla que sigue, se muestra la correlación entre los principales mecanismos de
fallo y las propiedades que pueden facilitar su retardo o evitar su aparición.

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La mejor recomendación para la correcta selección de aceros en aplicaciones de
moldes y utillajes en general es identificar el principal mecanismo de fallo y escoger un
material con mayor resistencia a este fallo dominante. Seguidamente se deberán
valorar temas relativos al número de piezas a producir.
2 .ELECCIÓN DEL ACERO
Se comprende que un acero no puede presentar todas las propiedades requeridas,
para abarcar todos los posibles mecanismos de fallo, que se puedan presentar durante
la vida de un molde. Por ello, antes de fabricar un molde, es preciso decidir y estudiar
cuáles son las propiedades indispensables impuestas por su aplicabilidad. Podemos
basa nuestra toma de elección del acero, teniendo en cuenta los siguientes puntos de
vista:
o Tipo de plástico a inyectar: exigencias relativas a corrosión, abrasión,
conductibilidad térmica y viscosidad.
o Tipo y magnitud del esfuerzo mecánico previsible: tamaño de la cavidad, presión
de inyección, variaciones de forma en el molde, presión residual necesaria.
o Método de obtención del vaciado del bloque: arranque de viruta, estampado en
frío, erosión, …
o Tratamiento Térmico necesario: con sus correspondientes variaciones de las
dimensiones.
De acuerdo con las consideraciones anteriores, procederemos a la elección del acero
apropiado entre las diferentes gamas que ofrecen los suministradores de aceros, que
encontramos en el mercado.
3 .ACEROS PARA HERRAMIENTAS
3.1. Aceros para trabajo en caliente.
Son aquellos aceros utilizables para la transformación de materiales (por ejemplo,
Fundición Inyectada), cuya temperatura de trabajo se sitúa por encima de los 200º C.
Son aceros con elevada resistencia al desgaste en caliente y tenacidad en caliente,
estabilidad dimensional y moderada resistencia a la corrosión.
Se trata de aceros con dureza en caliente elevada. Los aleantes que forman carburos
duros y estables suelen ser de este grado de aceros (por ejemplo, W, Cr o Mo). Este
comportamiento lleva a que sea deseable la presencia de estos carburos de forma
homogénea y controlada dentro de la matriz martensítica. Pero por el contrario, la
presencia de estos formadores de carburos empeora la maquinabilidad.
Los aceros para moldes de inyección de aleaciones no férreas y trabajo en caliente en
general, deben soportar el choque térmico de alta temperatura en muchos casos del
metal fundido y la temperatura relativamente baja de los circuitos de refrigeración,

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lubricantes y desmoldeantes. Esto hace que sea necesaria una resistencia a la fatiga
térmica, tenacidad y dureza a alta temperatura.
Los principales aceros de esta calidad son:
Los aceros sombreados cubren el 100% de las aplicaciones convencionales de trabajo
en caliente. En general son aceros con contenidos medios en carbono (0’35% ¸ 0’45%)
y en los que los elementos Cr, W, Mo y V, como aleantes de mayor importancia,
totalizan un contenido de aleación entre el 6% y el 25%. Los aceros maraging
contienen además un porcentaje elevado de Ni y Co.
Estos aceros suelen dividirse en dos categorías principales y como son, los aceros al
Cr para trabajo en caliente (caso de los tipos 1.2343, 1.2344 y 1.2365, por ejemplo) y
los aceros al W para trabajo en caliente (caso del tipo 1.2581).
Mecanismos de fallo más habituales en moldes de trabajo en caliente:
La principal causa de fallo en moldes de fundición inyectada y en moldes de trabajo en
caliente en general es la fatiga térmica a la que se encuentran sometidos (cargas
mecánicas cíclicas combinadas con ciclos térmicos).
Aceros recomendados para cada aplicación:
La vida del molde está determinada por las grietas en superficie, —el espesor de la
pieza, la velocidad de llenado y la presión especifica son factores determinantes— y en
función de ello se determinará el acero mas adecuado.
El tipo de acero para zonas de figura del molde (postizos de cavidad y punzón) en
contacto con el material de trabajo debe elegirse en función de las dimensiones de los
bloques y del volumen de producción. La diferencia de durezas debe establecerse en
función del tipo de aleación inyectada. Para aleaciones de zinc se recomienda tratar el
acero hasta el límite superior de dureza. En el caso de aleaciones de aluminio y
magnesio se trabajará con durezas medias o bajas (43 – 47 Hrc) independientemente
del tamaño del bloque.

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3.2. Aceros para moldes de transformación de plásticos.
Son aquellos aceros utilizables para la transformación de plástico, con elevada dureza,
estabilidad dimensional, resistencia a la corrosión y al desgaste, y buena aptitud de
pulido.
La siguiente tabla presenta los más usuales para este tipo de aplicación:
Los aceros indicados cubren prácticamente el 100% de la demanda para las
aplicaciones estándar de los moldes de plástico.
Generalmente, los aceros para moldes de plástico a menudo se suministran en
bloques de gran espesor (>750mm) y peso (>10Tn), por lo cual y ya en su estado de
suministro deben presentar unas características excepcionales de limpieza (impurezas
no metálicas), de homogeneidad (libres de macrosegregaciones y microsegregaciones) y
de ausencia de discontinuidades internas. De ahí que en estos casos se recomiende la
utilización de desarrollos más exigentes de estas calidades y más concretamente,
aquellas obtenidas con procesos de fabricación mejorados por técnicas especiales de
refusión y desgasificación en vacío.
Aceros recomendados para cada aplicación:
Por lo que a aplicaciones de ellos dentro del utillaje, se pueden resumir según sigue:

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3.3. Aceros para trabajo en frío.
Son aquellos materiales que se utilizan para la transformación de materiales cuya
temperatura de trabajo (o su superficie) se sitúa por debajo de los 200°C, y por tanto
no tendrán el contenido de aleación necesario para hacerlos resistentes al
ablandamiento a elevadas temperaturas. Podemos distinguir diferentes categorías:
- Aceros de baja aleación con un temple limitado (caso del 1.2210 [endurecimiento al
agua] y de los 1.2510 y 1.2842 [ambos de endurecimiento en aceite]).
- Aceros de media aleación de temple total y alta tenacidad, con endurecimiento
normalmente en aceite (caso del 1.2363 [que también puede endurecerse al aire para
secciones de pieza pequeñas y de hasta 100mm en Ø] y de los 1.2550 y del 1.2767 [en
este último caso para secciones de material grandes]).
- Aceros de alta aleación (C y Cr) e indeformables de temple total (caso del 1.2379
[endurecimiento al aire] y del 1.2080 [endurecimiento en aceite]).
La siguiente tabla presenta los más usuales para este tipo de aplicación:

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Los aceros señalados en sombreado tienen una cobertura del 100% de las aplicaciones
convencionales de trabajo en frío.
4 .MECANISMOS DE FALLO EN LOS ACEROS
4.1. en moldes de trabajo en caliente:
La principal causa de fallo en moldes de fundición inyectada y en moldes de trabajo en
caliente en general es la fatiga térmica a la que se encuentran sometidos (cargas
mecánicas cíclicas combinadas con ciclos térmicos).

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4.2. en moldes de transformación de plásticos:

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4.3. en moldes para trabajo en frío:
5 .OTROS MATERIALES EMPLEADOS
Los aceros no son los únicos materiales usados en matricería en general. Otras
aleaciones metálicas son de uso común en talleres de construcción de utillajes.
5.1. Aleaciones base aluminio:
Las ventajas particulares del aluminio son su reducido peso específico, su elevada
conductibilidad térmica, su buena estabilidad química y su fácil mecanización. La
aplicación queda limitada en virtud de su reducida resistencia.

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Debido a la baja resistencia del aluminio, son más favorables, para moldes de
inyección, las aleaciones de aluminio templadas por precipitación y maduración
artificial y con carga de rotura Rm=340÷550 N/mm2 y dureza entre 100 y 140 HB
(UNE L-3710 y L-3420).
Las aplicaciones más generalizadas pueden ser:
• Moldes para inyección de plástico, goma, espuma de polietileno, etc.
• Moldes para embutición profunda (al vacío).
• Moldes de soplado.
• Soportes para moldes de plástico.
En la tabla se muestran las distintos tipos de aleaciones base aluminio recomendados
según el volumen de producción del molde y tipo de plástico inyectado:

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Además estas aleaciones de alumino aportan otras propiedades interesantes como
son:
• La conductividad térmica (4 veces superior a la del acero), permitiendo una
mejora en las cadencias de trabajo en la inyección de plásticos, gomas,… Por
tanto el ahorro energético es importante.
• El peso específico es el 61% inferior al del acero, o sea la mitad de su peso,
facilitando por tanto una mejor manipulación.
• Estabilidad dimensional después del fresado de alta velocidad.
• Resistencia a la corrosión.
• Se puede soldar con los sistemas TIG y MIG siendo su comportamiento
excelente.
• Se pueden aplicar tratamientos superficiales como el cromado, niquelado
químico, anodizado duro y aplicaciones de proceso PVD, etc.
Es importante recordar que los aluminios no podrán ser utilizados en aplicaciones de
trabajo en caliente ni para según que tipo de trabajo en frío.
5.2. Cinc y su aleaciones:
Debido a sus reducidas características mecánicas, el Zinc y sus aleaciones se emplean
solamente para la fabricación de moldes destinados a inyecciones de prueba, o a la
producción de series reducidas. Sin embargo, se utilizan con mayor frecuencia para la
fabricación de moldes para soplado o para moldeo al vacío, ya que éstos no están
sometidos a tan elevados esfuerzos mecánicos.
5.3. Aleaciones base Cobre:
Se trata de metales utilizables en moldes para transformación de termoplásticos
debido a las temperaturas que puede resistir el material. La principal ventaja que
presentan es la alta conductividad térmica. Esto permite que aumente la estabilidad
dimensional del componente plástico y la uniformidad térmica del molde, facilitando
así el sistema de refrigeración. Al mismo tiempo, la excelente conductividad térmica
que presentan les permite evitar el fenómeno de la condensación a las cavidades del
molde, permitiendo trabajar a temperaturas más altas.

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Finalmente, la conductividad térmica elevada les hace imprescindibles para la
realización de insertos estrechos que requieran ser enfriados rápidamente y
uniformemente. Pero su uso se basa también en las siguientes propiedades:
o Calentamiento uniforme. Los cobres respecto de los aceros presentan una mejor
uniformidad a la hora de calentarse.
o Dureza. Las aleaciones de cobre ofrecen el rango de conductividad térmica más
elevado con un amplio abanico de durezas. Los valores que presentan son
suficientes para resistir las presiones de inyección habituales.
o Resistencia química. El cobre es resistente a los ácidos asociados con el moldeo
de los plásticos vinílicos y al ataque químico con acetales. Los valores de
corrosión en medio ácido caliente habituales en el molde de plásticos son bajos
y uniformes. No se han observado picaduras por este efecto. En cambio, puede
darse lugar a la oxidación superficial si la temperatura está por encima de los
200ºC (valor habitual en la transformación de termoplásticos).
o Resistencia al desgaste. Las aleaciones de cobre presentan unas características
excelentes respecto los aceros. Las aleaciones tipo bronce-aluminio y bronce-
níquel-aluminio ofrecen las mejores resistencias al desgaste, abrasión, fatiga,
deformación y corrosión. Por eso son metales muy recomendados en elementos
que están sometidos a fricción (patines, correderas, guías, expulsores, …).
o Coste. El coste de las aleaciones de cobre es el más elevado de todos los metales
usados en la construcción del molde. Sin embargo si es contabiliza el coste
global de compra más procesado del metal, y se compara con los resultados
productivos del molde (número de componentes transformados, o sea
producidos) se observa que es el más económico de todos. Esto es así porque el
molde que dispone de elementos de cobre puede reducir el tiempo de
enfriamiento del componente entre un 20 y un 50%, y por tanto puede llegar a
duplicar la producción.
La siguiente tabla muestra los principales cobres usados en moldes:

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